传感器融合之各种时钟同步技术对比

主流的授时技术

授时的过程以通信的方式实现。根据电磁波频率及传输方式的不同，主流授时方式主要有几种、主要包括短波授时、长波授时、低频时码授时、电话授时、电视授时网络授时、卫星授时等。

网络授时是指通过时间服务器提供授时服务，在网络上以指定时间服务器为基准时间源，提供授时服务，局域网所有的联网设备（包括电脑、服务器、网络设备等）均可通过网络与时间服务器保持同步，达到授时目的。

卫星授时顾名思义，就是通过卫星系统来为地面设备授时，统称为GNSS系统（全球导航卫星系统），主要有GPS系统（美）、北斗系统（中）、GLONASS（俄）和Galileo（欧洲）。

每一颗卫星都能通过发射卫星信号的方式将精准的时间发送给覆盖范围内的设备。地面设备通过专有设备接收授时信息，就可实现与卫星时间同步，达到授时目的。

每一颗卫星上都需要配备原子钟，同时卫星系统需要将覆盖全球，才能达到高精度、全覆盖的作用。

相比于前面所说的各种类型授时技术， GNSS授时精度相对更高。除了精度之外，GNSS卫星授时还有已经全球覆盖、应用简单等优点，目前在全球范围内应用最广、也最受欢迎。

NTP 时间同步技术

NTP时间同步技术（Network Time Protocol）通过在网络上建立指定的时钟源，通过网络为用户提供统一的授时服务，NTP时间同步的精度一般能达到几十至几百毫秒。NTP以客户机和服务器方式提供服务，客户端需要时钟同步时，向服务器发出NTP时钟信息查询包，服务器端在接收到查询包之后，查询自己的本地时间，返回NTP信息包，客户端在接到服务器返回的时间。两个包中都含有发出时间和接收时间，通过这4个时间，可以计算出客户端与服务器之间的时间偏差与网络时延。

对于一般的应用来说NTP几十至几百毫秒的授时精度足够用，但是在车路协同中，从路侧感知交通参与者信息到发出给智能网联汽车的时延要求一般在200ms以内，智能网联汽车接收到的信息才能被汽车决策系统采用，保证车辆有足够的时间处理交通状况。因此对于NTP时钟同步技术来说，授时精度误差，再加上网络时延和计算系统运算时间，整体时延在车路协同应用中难以得到保证。

 

因此考虑授时精度更高的IEEE 1588 同步协议。

PTP技术在车路协同中的应用

PTP技术介绍

PTP协议是由IEEE 1588标准定义的，PTP协议授时精度能够在测量和控制系统中实现达到微秒级，远高于NTP协议精度。除更高的精度之外，IEEE 1588协议基于以太网和TCP/IP协议的网络协议开销小，占用较少的网络资源和计算资源，部署成本更低。

PTP协议通过在主时钟和从时钟之间时间报文的交互，计算出主从时钟之间的网络延时和时钟偏差，通过偏差和延时的修正，达到时钟同步的目的。

NTP是工作在应用层标准协议，该协议通过往返程报文来估计传递时间信息的报文在网络传输中花费的时间，继而估计出从时钟和主时钟之间的时间偏移量，从时钟才能校准本地时间。

NTP中四个时刻的时间戳均在客户机/服务器的应用层，记录的是报文通过应用层的时间。数据的传输时延包含数据在网络中的传输时延和计算系统对数据的处理时延。当传输的数据帧等长时，网络传输时延可以认为相等，但计算系统处理时间既包括了对数据的处理时间，还包括故障修复、程序调用等多方面难以估计的时间。现实状况中，客户端计算机和服务端计算机的数据处理能力天差地别，这样使得报文在主从时钟之间相等的估计并不严谨。因此NTP会采用多次收发时标的方法，运用统计的方法减少误差。

PTP协议和NTP协议实现主从时钟之间的同步不完全相同，有一定特殊性：

PTP协议分为“事件报文”和“一般报文”一共5种报文类型，分别是同步报文（Sync）、延迟请求报文（Follow_Up）、跟随报文（Delay_Req）、延迟请求响应报文（Delay_Resp）、管理报文。

PTP协议通过报文传输实现时间同步的过程如下：

1、 Sync报文从主时钟发出，主时钟将在应用层预测报文发送时间，这个时间并不精确，准确的时间是在硬件层打上的。记录下准确的发送时间之后再发送延迟请求报文，该报文中包含准确的T1时间，从时钟记录下接收时间T2及Sync报文发送时间T1。

2、 从时钟发送跟随报文，从时钟记录下发送时间T3；

3、 主时钟发送延迟请求响应报文，从时钟接收到报文之后记录下接收时间T4。

4、 通过记录下以上时刻，通过一定公式的换算，计算出主从时钟之间的时间偏移量（offset）及网络延迟（delay），得到这两个参数之后就可参数调整，达到主从时钟同步的目的。

T1+delay1+offset=T2；

T3-delay2+offset=T4；

假设报文在网络传输中存在对称性，即delay1=delay2=delay，因此可以计算出网络时延delay和时间偏移量offset，实现主从设备之间的校时。

IEEE 1588高精度同步实现机制

PTP协议在车路协同中的应用

近年来随着智能网联汽车的发展，单车智能和车路协同成为智能网联汽车探索发展的两条主线。通信网络中的每个设备或系统都有自己的时钟，由于制造工艺、时钟频率差异、环境变化等原因，随着网络的运行，每个设备或系统的时钟值会出现偏移，导致每个时钟的时钟值不一致。为保障报文传输的可靠性，车路协同系统中需要有高精度高可靠的时钟同步机制。

车路协同技术是利用路侧建设激光雷达、毫米波雷达、摄像机等感知设备，通过边缘计算设备实现多传感器数据融合，同时在边缘计算设备中配置车路协同场景处理算法和交通管理算法，通过路侧智能单元RSU将车路协同信息发送给智能网联汽车OBU，由智能网联汽车接收到路侧信息后结合车辆自身传感器获取的交通参与者信息，进行统一的信息处理与判断，由车辆驾驶决策与控制系统做出合适的驾驶行为，避免碰撞与交通事故。

高精度的时间同步技术是车路协同的关键技术之一。对于智能网联汽车而言，从感知端的多传感器同步融合，到整车的精确定位，再到车与车，车与路，车与万物的互联都需要时间来同步。

智能网联汽车通过自身多传感器及路侧多传感器的数据融合，实现全息感知，各传感器、控制器、执行器等都需要精密同步协作，车辆才能做出合理正确的决策，避免交通安全事故发生。

在车路协同中，涉及路侧多传感器的数据融合，一般传感器的数据频率为10-30Hz，每30-100ms会发出一个数据，各种传感器的频率可能不一样，因此在时间上，不同传感器时间首先对齐，输出的多源目标物数据在时间上才可能严格对齐，数据融合才有基础。

车路协同中车路通信的时延准确性的要求极高，路侧发出的数据需要在与智能网联汽车本身的数据结合后综合判断才能做出驾驶决策，因此路侧发出的数据时间精度需要与车辆端数据时间对齐，才能发挥路侧数据的作用，保障车辆驾驶安全。

高精度定位是实现智能驾驶汽车安全稳定的核心技术。而时间同步是定位系统的关键技术，不管是卫星定位还是地面基站增强定位，定轨和定位的基础都是各观测量的时间同步，倘若观测时间发生偏差，必然会产生运动距离的偏差，特别是对于卫星定位来说，极小的时间偏差都会导致巨大的空间偏差。

影响PTP授时精度的原因分析

1、 网络的不对称性

在PTP协议工作的过程中，报文都是通过网络进行传输，需要通过计算避免网络时延的影响。在计算的过程中认为数据报文发送与接收时延是一样的，但是实际过程中因为网络干扰影响，客户端与服务器端数据处理能力的不同，数据发送与接收的时延很难一样，因此，对整体授时精度有一定影响。

2、 网络负载

当网络比较拥堵的情况下，会存在较大的包排在校时报文的前面，就会影响校时报文的传输时间，影响网络时延的计算。

3、 时间戳打的位置

PTP协议支持在应用层打时间戳，也支持在硬件层打时间戳，应用层打时间戳之后报文会经过网络层、MAC层后发送出去，打的时间戳的时间与实际发送的时间之间存在偏差，会影响授时精度。

4、网络中存在不支持PTP协议的网络设备，会影响协议的运行效果，降低同步精度。

PTP技术的优缺点

优点：

1、PTP协议能达到的时间精度高，达到微秒级，远超NTP协议的毫秒级，因此才能满足车路协同中数据融合和车路通信高精度、低时延的苛刻要求。

2、PTP协议对网络的开销小，不影响现有网络的数据传输。

缺点：

1、想要获得理想的精度需要专业的PTP授时服务器，同时服务器能接收卫星信号，会提高使用成本。

2、在时钟同步设备使用过程中，存在卫星授时信号不稳定的状况，这时候依赖授时服务器本地晶振来保持系统时间的稳定，晶振的不同会影响授时精度。

3、PTP协议要能实现高精度时钟同步系统的运行，网络设备和客户端设备都需要支持IEEE1588协议，可能会增加整体系统的成本。